仿鞭毛菌游动的微型机器人运动特性研究

摘要

微型游动机器人的结构尺寸微小、器件精密，能够进入到人类和宏观机器人所不及的狭窄空间进行微细操作，应用前景十分广阔。自然界中微生物在低雷诺数液体环境下的运动为微型游动机器人的研发注入了灵感，对鞭毛菌等单细胞生物的运动形式及机理的研究与仿生设计成为热点。本文以仿鞭毛菌游动的微型机器人为研究对象，运用理论分析、数值仿真以及实验测量等研究手段对其仿生机理及运动特性进行了研究。
　　本文首先对螺旋推进式机器人的仿生原理——鞭毛游动机理的理论基础进行了分析，比较了三种应用最为广泛的鞭毛推进理论，即细长体理论、抗力理论以及边界元理论。比较结果表明：边界元理论适用范围最广，精度最高；细长体理论适用于细长型鞭毛推进计算，计算精度较高；抗力理论计算最为简单，适用于精度要求不高的场合。
　　针对鞭毛游动的近壁效应，建立了鞭毛菌的近壁运动动力学模型，通过与实验数据进行对比分析，验证了该模型的有效性。在此基础上，对螺旋尾的几何和运动学参数与近壁运动速度之间的关系进行了探讨，为仿生游动机器人的运动控制提供了参考依据。
　　其后，基于计算流体力学，利用CFD分析软件Fluent对课题组研制的仿鞭毛菌游动的微型机器人的运动特性进行了仿真研究，分析了螺旋尾结构参数、液体环境参数以及螺旋尾转速对机器人直行速度的影响。
　　最后，搭建了基于视觉的游动机器人实验测量系统，并建立了基于运动图像序列的机器人运动学参数测量方法。利用实验平台和测量方法，分别对螺旋尾结构参数、液体环境参数以及螺旋尾运动学参数对机器人直行速度的影响进行了实验研究。实验数据显示，上述参数与机器人直行速度之间的关系和仿真结果吻合良好。

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注释表

第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2微型医疗机器人研究现状

1.3微型医疗机器人面临的基本问题

1.4本文的主要研究内容

第二章典型鞭毛游动描述模型的对比分析

2.1引言

2.2微观流体动力学

2.3鞭毛游动理论模型

2.4本章小结

第三章鞭毛游动的近壁运动研究

3.1引言

3.2鞭毛菌的运动描述

3.3鞭毛菌的受力分析

3.4基于理论模型的运动仿真

3.5本章小结

第四章仿生游动机器人运动特性的仿真研究

4.1引言

4.2计算流体力学

4.3游动机器人仿真模型

4.4仿真结果分析

4.5本章小结

第五章仿生游动机器人运动特性的实验研究

5.1引言

5.2实验装置

5.3数据处理

5.4游动机器人直行运动实验结果分析

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1论文主要工作及总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文